城市街道小氣候舒適性研究進(jìn)展與啟示

劉濱誼 彭旭路

隨著全球氣候變暖，氣候變化導(dǎo)致的城市環(huán)境問題愈發(fā)突出[1]。在此背景下，以協(xié)調(diào)人與自然關(guān)系為使命的風(fēng)景園林學(xué)從空間形式、景觀評價(jià)、規(guī)劃理論發(fā)展都產(chǎn)生了很大變化[2]，除關(guān)注空間形式上的結(jié)合，還研究各感受要素間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，將氣流、溫濕度、光影等影響人體舒適感受的環(huán)境因子，作為極其重要的設(shè)計(jì)要素[3]。

對城市氣候的研究可以追溯到19世紀(jì)初以1818年出版的《倫敦氣候》一書為標(biāo)志[4]，將街道與小氣候相結(jié)合開展研究始于20世紀(jì)70年代[5]。應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性規(guī)劃研究目前還處于發(fā)展階段[6]。將風(fēng)景園林空間與以小氣候?yàn)榇淼沫h(huán)境要素結(jié)合，共同作用于通過風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)達(dá)到調(diào)節(jié)改善人居環(huán)境的目的已成為風(fēng)景園林學(xué)科的研究熱點(diǎn)[7]。城市街道通常覆蓋城市區(qū)域的1/4以上面積[8]，是人們在城市室外活動(dòng)的重要場所[9]，也是風(fēng)景園林空間的重要組成部分[10]。對城市街道小氣候舒適性進(jìn)行分析與評價(jià)研究，可以為未來城市街道的規(guī)劃設(shè)計(jì)、為城市宜居品質(zhì)的提升提供指導(dǎo)與參考。

1 研究數(shù)據(jù)與概況

1.1 國內(nèi)數(shù)據(jù)與概況

中國國家自然科學(xué)基金(National Natural Science Foundation of China，NSFC)是體現(xiàn)科學(xué)研究水平與發(fā)展方向的重要平臺之一[11]。舒適性方面的中文研究概況主要利用國家自然科學(xué)基金網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，檢索了1987—2017年，標(biāo)題或主題或摘要中含有“舒適”的國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，獲得485項(xiàng)資助清單，各年獲資助基金項(xiàng)目數(shù)量及金額情況見圖1、2，獲得資助項(xiàng)目數(shù)量及金額排名前10的單位見圖3，受資助項(xiàng)目數(shù)量及金額排名前10的學(xué)科見圖4，出現(xiàn)頻次數(shù)量排名前10的主題詞見圖5。

在國家生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，舒適性研究越來越多地受到科學(xué)研究的重視，熱舒適是30年來國內(nèi)舒適感受研究中的熱點(diǎn)，貫穿室內(nèi)、室外空間的舒適性研究，研究領(lǐng)域主要集中在建筑環(huán)境與結(jié)構(gòu)工程和以高鐵、電動(dòng)汽車為代表的新型交通領(lǐng)域上。

1.2 國外數(shù)據(jù)與概況

以Web of Science(WOS)引文數(shù)據(jù)庫中的SCI核心合集文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，檢索主題詞為“comfort”AND“street OR microclimate”，時(shí)間跨度為所有年份，文獻(xiàn)類型為“期刊”，語種為“英語”，共搜集到1 160篇相關(guān)論文，數(shù)據(jù)收集時(shí)間為2018年5月。借助科學(xué)計(jì)量工具Citespace①對檢索結(jié)果進(jìn)行以下科學(xué)圖譜[12]分析：關(guān)鍵詞頻次分析排名前10位的關(guān)鍵詞可視化結(jié)果見圖6。

頻次最高的關(guān)鍵詞和國內(nèi)舒適性研究的高頻詞一致，都是熱舒適。國內(nèi)受資助基金項(xiàng)目、金額數(shù)量最多的學(xué)科都是建筑環(huán)境與結(jié)構(gòu)工程。從圖7研究領(lǐng)域共現(xiàn)分析中看到，國外學(xué)科也集中在工程、建筑與建筑技術(shù)、環(huán)境生態(tài)、環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、能源與燃料等類似學(xué)科，國內(nèi)外研究領(lǐng)域基本保持一致。在運(yùn)用Citespace的LLR算法進(jìn)行文獻(xiàn)共引聚類分析，調(diào)整聚類標(biāo)簽和連線透明度后，得到圖8所示的6個(gè)聚類標(biāo)簽，由此可以看出國外街道小氣候舒適性研究的熱點(diǎn)主要集中在室外熱環(huán)境、熱舒適、古老沙漠城市、城市開敞區(qū)域、室外空氣質(zhì)量、城市街道6個(gè)方面，這些研究熱點(diǎn)為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)，提供了拓展思路與方向。

2 主要研究內(nèi)容

通過上述搜索與分析，城市范圍中的小氣候舒適性研究進(jìn)展，既有通過相關(guān)性分析總結(jié)作用機(jī)制等基礎(chǔ)理論研究，也有將不同地域小氣候要素對研究對象所發(fā)揮的作用與價(jià)值進(jìn)行科學(xué)評價(jià)的研究，并逐漸向?qū)⒊鞘袣夂蛑R轉(zhuǎn)化為規(guī)劃實(shí)踐以及制定適應(yīng)氣候變化的緩解策略上發(fā)展。以城市街道為對象，以下三方面的內(nèi)容歸納可以清晰地反映出這個(gè)發(fā)展過程如何應(yīng)對減少熱島效應(yīng)和提高室外舒適性。

2.1 城市街道空間對小氣候要素的影響

斯蒂莫斯(Steemers)等研究指出，由城市質(zhì)地產(chǎn)生的氣候要素影響，主要在中尺度城市范圍，而空間因子是微觀尺度，即人的活動(dòng)范圍中對氣候要素產(chǎn)生影響的主要因素[13]。在眾多風(fēng)景園林小氣候要素中，空氣溫度、風(fēng)、太陽輻射被認(rèn)為是受街道空間影響最明顯的3個(gè)氣候要素[14]。通過研究分析，總結(jié)出能對這3個(gè)主要的小氣候要素產(chǎn)生影響作用的街道空間因子及其相互作用的內(nèi)容見圖9。

空間與各氣候要素的相互影響是多向綜合的。即使存在國家與地區(qū)的區(qū)別，各研究關(guān)注的城市街道空間因子有共同性，高寬比H/W、天空可視因子SVF、街道走向、綠化覆蓋是被普遍認(rèn)為會對小氣候要素產(chǎn)生影響的主要街道空間因子。

2.2 舒適感受評價(jià)

目前學(xué)界對與氣候要素相結(jié)合的舒適的定義主要為來自國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會的氣候舒適度(climatic comfortability)[33]，和來自美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會ASHRAE[34]的人體熱舒適(human thermal comfort)，后者在國際上比較通用[35]。為分析氣候要素對使用者的影響與作用，形成了大量的以氣候要素為變量的舒適感受評價(jià)研究，按氣候因子數(shù)量可以分為2類：一類為單因子氣候舒適性評價(jià)，另一類為多因子氣候舒適性評價(jià)。

圖1 1987—2017年基金項(xiàng)目數(shù)量

圖2 1987—2017年基金項(xiàng)目金額

圖3 受資助項(xiàng)目數(shù)量、金額排名前10的單位

圖4 受資助項(xiàng)目數(shù)量、金額排名前10的學(xué)科

圖5 出現(xiàn)頻次排名前10的主題詞

2.2.1 單因子氣候舒適性評價(jià)

以空氣溫度和風(fēng)為例分析單獨(dú)的氣候要素與舒適感受建立相關(guān)性的評價(jià)研究情況。

1)舒適溫度評價(jià)。

舒適溫度是一個(gè)范圍，且隨該地區(qū)年平均溫度的不同，人體感覺舒適的空氣溫度值會存在地區(qū)差異。室內(nèi)環(huán)境常采用溫度這個(gè)單獨(dú)氣候要素作為舒適評價(jià)指標(biāo)[36]。在滿足舒適條件下考慮節(jié)能，將冬季供暖溫度范圍定在18～24℃[37]；環(huán)境衛(wèi)生學(xué)中提到氣溫24℃、相對濕度70%和風(fēng)速2m/s是對人體最舒適的氣候條件[38]。有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)氣溫為28℃時(shí)，人體處于熱平衡狀態(tài)，感覺最舒適[39]；瑪?shù)鹿?Madhavi)在印度夏季的調(diào)查表明[40]人們在較熱的氣候條件下，舒適溫度范圍也變高了；余娟[41]認(rèn)為來自夏熱冬冷氣候區(qū)的南方人不僅能容忍較冷的環(huán)境，也能容忍較熱的環(huán)境。

2)風(fēng)舒適評價(jià)。

冷紅等對哈爾濱的30年氣象數(shù)據(jù)研究得出風(fēng)速對熱舒適性影響接近于空氣溫度的2倍[42]。劉加平認(rèn)為令人舒適的氣流速度應(yīng)小于3m/s[43]；莊智等[44]認(rèn)為室外風(fēng)速小于5m/s時(shí)，人的感受為舒適；潘婭英認(rèn)為人體最適合的風(fēng)速為2m/s[45]；李朝認(rèn)為風(fēng)不舒適與活動(dòng)類型有關(guān)，無論是快步、漫步還是閑坐，舒適的風(fēng)速小于2.5m/s都是最優(yōu)的[46]。同時(shí)，除了風(fēng)速會對舒適感受評價(jià)產(chǎn)生影響，夏一哉等認(rèn)為風(fēng)速穩(wěn)定性對熱舒適性影響強(qiáng)度約為風(fēng)速本身的1/4[47]。

2.2.2 多因子氣候舒適性評價(jià)

是指對含有2個(gè)及以上數(shù)量的氣候因子來進(jìn)行舒適性評價(jià)的研究。以溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)組成的氣候舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[35]中，氣候數(shù)據(jù)多來源于氣象站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在宏觀層面的城市、區(qū)域舒適性評價(jià)時(shí)經(jīng)常采用，多種相關(guān)的舒適度預(yù)報(bào)公式，都是基于溫度、濕度氣候因子建立的溫濕指數(shù)的變形[48]。據(jù)弗雷塔斯(Freitas)和格里戈里耶娃(Grigorieva)統(tǒng)計(jì)，迄今為止至少有162種熱舒適數(shù)值指標(biāo)[49]，因各個(gè)評價(jià)指標(biāo)沒有相通性，在利用風(fēng)景園林領(lǐng)域最常用的熱舒適評價(jià)指標(biāo)如預(yù)測平均投票(PMV)、生理等效溫度(PET)、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(SET＊)和通用熱氣候指數(shù)(UTCI)[50]進(jìn)行計(jì)算評價(jià)時(shí)，各指標(biāo)計(jì)算的結(jié)果數(shù)值差別很大，也可能與熱舒適問卷調(diào)研的結(jié)果不同。以PET為例，官方給出的舒適范圍為9～26℃[51]，有學(xué)者研究中西歐的舒適范圍是18～23℃[52]，濕熱氣候的中國臺灣地區(qū)舒適范圍為26～30℃[53]，地中海氣候沿岸地區(qū)的舒適范圍為20～25℃[54]，位于暖溫帶的天津的范圍為11～24℃[55]，呈現(xiàn)出隨氣候變熱而舒適值增高的特點(diǎn)。

圖6 英文關(guān)鍵詞頻次分析

圖7 英文研究領(lǐng)域共現(xiàn)分析

圖8 英文共引文獻(xiàn)聚類分析

2.3 城市街道空間與舒適感受的相互作用

由氣候要素產(chǎn)生的舒適感受是人體感受來源的其中一個(gè)方面。氣候越惡劣，人對其感受的影響越大。而氣候越溫和，受氣候左右的程度越小，而更多是受文化、功能等因素影響[56]。城市街道不僅通過如高寬比、街道走向這些空間物理因子影響小氣候，從而影響使用者的熱舒適感受，其相互作用的研究內(nèi)容見圖10，還通過其傳遞出的文化、功能從心理層面也起到影響舒適感受的作用。

內(nèi)茨(Knez)等人認(rèn)為空間環(huán)境感知影響著人們的環(huán)境熱舒適[72]，克萊姆(Klemm)等認(rèn)為熱舒適感知與空間自然性、美感和環(huán)境的積極體驗(yàn)相關(guān)，城市空間設(shè)計(jì)對于舒適感知具有積極的影響[73]。他在荷蘭對3條街道的研究發(fā)現(xiàn)對層次豐富的街道綠化從心理上的認(rèn)可，抵消了實(shí)際熱舒適評價(jià)指數(shù)不高的結(jié)果[57]。米歇爾(Michelle)研究發(fā)現(xiàn)人們根據(jù)舒適度預(yù)期心理來調(diào)整對該空間的熱感覺及熱舒適判斷，對空間使用功能和目標(biāo)的不同，影響到心理期望不同，以休息與放松為目標(biāo)的空間比以義務(wù)做事為目標(biāo)的空間所提出的熱舒適要求更低，認(rèn)為控制產(chǎn)生心理不舒適的來源，比控制影響熱舒適的空間更有效[74]。英國有學(xué)者認(rèn)為室外空間中，小氣候?qū)崾孢m的實(shí)際控制是最小的，個(gè)人感知控制具有最大的權(quán)重[75]。

3 研究評述

在街道空間對小氣候要素的影響研究中，通過實(shí)測、模擬等多種方法分析街道空間與小氣候要素的相互作用機(jī)制，歸納出在風(fēng)景園林小氣候尺度下能產(chǎn)生降溫、增加風(fēng)速、減少輻射等氣候效應(yīng)的街道空間因子，對指導(dǎo)風(fēng)景園林空間的氣候適應(yīng)性規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了參考，利于形成風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)的策略與導(dǎo)則。

圖9 街道空間對小氣候要素影響作用分析

圖10 街道空間與舒適感受相互作用分析

在舒適感受評價(jià)研究中，采用單獨(dú)的氣候因子評價(jià)舒適性由于變化性太多，不利于形成指導(dǎo)空間規(guī)劃的普適性標(biāo)準(zhǔn)[76]；只由多個(gè)氣候因子組成的氣候舒適度指標(biāo)常用于宏觀尺度，在風(fēng)景園林小氣候影響范圍內(nèi)因氣象數(shù)據(jù)的獲取難度會影響對舒適性的準(zhǔn)確判斷。而以人體能量平衡為基礎(chǔ)的熱舒適評價(jià)指標(biāo)還不能全面反映出人們感受環(huán)境、改變行為或逐步調(diào)整自己的期望值以適應(yīng)環(huán)境的復(fù)雜方式，在具體運(yùn)用時(shí)，通過指標(biāo)計(jì)算出的絕對數(shù)值不能直接對照固定的舒適標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，需結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖孢m心理感受調(diào)研，將熱感覺舒適對應(yīng)的指標(biāo)范圍值進(jìn)行調(diào)整。

圖11 風(fēng)景園林小氣候舒適性三元框架

在街道空間與舒適性感受相互作用研究中，一方面是通過改變高寬比等空間的物理特性來改善熱舒適，另一方面是通過對街道空間的功能、文化性的加強(qiáng)從心理上增加熱舒適感受。不僅要研究得出舒適感受的數(shù)值范圍，還要關(guān)注通過與這些氣候要素、文化要素關(guān)系緊密的相應(yīng)空間因子的改變，可以帶來多大程度的熱舒適改善。找到能改善舒適性的空間因子及變化規(guī)律是利用規(guī)劃設(shè)計(jì)手段改善街道舒適性、制定適應(yīng)氣候變化的緩解策略、提高城市宜居質(zhì)量的重要內(nèi)容。

4 對風(fēng)景園林小氣候舒適研究的啟示

以城市街道為例的風(fēng)景園林空間中，風(fēng)景園林小氣候舒適性是耦合了空間要素、氣候要素與人的舒適感受的復(fù)合函數(shù)見圖11。同時(shí)，明晰風(fēng)景園林小氣候舒適性的概念是建立風(fēng)景園林小氣候舒適性評價(jià)體系結(jié)構(gòu)，確定評價(jià)體系的框架和層次的基礎(chǔ)。

在城市人居環(huán)境面對如氣候變化等現(xiàn)實(shí)問題時(shí)，風(fēng)景園林專業(yè)一直就是起到調(diào)節(jié)氣候的正向作用的，是改善城市小氣候環(huán)境、從而改善人的舒適感受不可缺少的手段。通過風(fēng)景園林小氣候舒適性研究，使風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)理論通過不斷的量化研究將學(xué)科的科學(xué)性得到加強(qiáng)。風(fēng)景園林環(huán)境與感受的數(shù)字化是風(fēng)景園林客觀環(huán)境與主觀感受之間的橋梁，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)景園林分析評價(jià)的理性化途徑[77]。風(fēng)景園林小氣候舒適性研究，會對城市宜居環(huán)境建設(shè)發(fā)揮重要的促進(jìn)作用，將應(yīng)對環(huán)境問題的被動(dòng)規(guī)劃方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶萁驳闹鲃?dòng)調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮出風(fēng)景園林學(xué)科協(xié)調(diào)人與自然相互和諧的價(jià)值。

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

① Citespace由美籍華裔學(xué)者陳超美博士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一款用于分析和可視化論文主題、關(guān)鍵詞等共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息，以揭示一個(gè)知識領(lǐng)域或?qū)W科在一定時(shí)期的發(fā)展趨勢與動(dòng)向的應(yīng)用程序。